近日，由中国航天科技集团有限公司研制的我国首次火星探测任务“天问一号”探测器总飞行里程超过4.5亿公里，距地球约1.7亿公里。2月10日19点52分，“天问一号”将进行近火制动（俗称“刹车”），开启环绕火星之旅。
2020年7月23日，长征五号火箭从海南省南部的文昌航天发射基地发射，飞向火星，将“天问一号”火星探测器送上火星，该任务的旅程将持续7个月，目标是在2021年将火星探测车降落在火星表面。
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图源：国家航天局官网
“天问一号”火星探测计划
“天问一号”是我国独立开展星际探索的第一步，是我国首个火星探测任务，如果“天问一号”顺利着陆，巡视器将与火星上空的轨道器配合工作，在单次任务中同时完成其他国家要分三次完成的环绕、着陆和巡视三大任务。
首先“天问一号”要在火星轨道环绕，利用卫星上放置的七台仪器全面了解火星；然后着陆火星释放一辆火星车，车上放了六台仪器精细地探测火星。期间，火星车通过携带的地形相机、多光谱相机、次表层探测雷达、表面成分探测仪、表面磁场探测仪和气象测量仪对火星的地形地貌、地下水、地下冰层分布、土壤成分及分布、磁场、大气层及气候变化进行探索，对火星重点地区进行详细探查，实现天上、地上联合考察火星的计划。
火星与地球间距离呈周期性变化，最近时约5000万公里，最远时可达4亿多公里。“天问一号”探测器从地球出发后，是以一个弧形的轨道追逐火星，而在追逐的过程中，地球和火星也都在绕着太阳运动，因此探测器飞行的里程一定比它与地球间的距离更远。经过计算，“天问一号”抵达火星附近，总的飞行里程将达到4.7亿公里。
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火星车三维仿真图
图源：中国军网
“天问一号”探火初心
“天问”一词出自屈原的长诗《天问》，诗中发出“日月安属？烈星安陈？”的仰天叹息，代表了中华民族对自然科学的渴望和探索浩瀚宇宙的决心。火星自古以来就是重要的观测对象，中国最早的文字记载出现在商朝末期：这颗星球荧荧如火、飘忽不定，故曰“荧惑”。人类最早探测火星是出于好奇，从望远镜里看到的火星也总是让我们遐想，因为火星的地貌跟地球有相似之处，且曾经从望远镜里发现火星似乎有水的形态存在，它的地质变迁似乎类似于地球，所以人们想到火星上去探探究竟。但遗憾的是，数十年来，登火失败率非常高，直到近几年人类才有机会近距离观察火星。而我们中国也希望能够有这样的机会来探测火星的秘密，探寻火星上是否有生命存在的迹象，有助于我们更加深刻地了解太阳系甚至整个宇宙，提升我国整体的航天水平。
“天问一号”如何到达火星？
“天问一号”探测器重约5吨（含燃料），由一个环绕器和一个着陆巡视器组合体组成。“天问一号”由长征五号发射，由于长征五号的运载能力非常大，可以直接将“天问一号”送入地球和火星的霍曼转移轨道而不经过变轨，因此可以节省很多探测器燃料。
在“天问一号”进入地球与火星霍曼转移轨道后，将会经过长达7个月左右的飞行。
2021年2月11日“天问一号”将到达霍曼转移轨道的远日点，正好与火星的公转轨道相交。“天问一号”的飞行速度是第二宇宙速度，因此无法被火星引力捕获，这时“天问一号”就需要用发动机来进行减速让火星可以捕获它。被火星捕获后“天问一号”进入环绕火星的一个大椭圆轨道，之后在大椭圆轨道离火星最近距离的地方再次减速进入一个小椭圆轨道。在进入火星的小椭圆轨道后“天问一号”可以根据任务需求进行变轨，由此，“天问一号”开始对火星进行探测，对火星车可能的着陆区进行重点拍照分析。
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图源：央视新闻
“天问一号”的难点在哪里？有多难？
“天问一号”被火星捕获是整个任务中技术风险最高的环节之一，且只有一次机会，如果“刹车”早了，探测器速度降得过低，会坠入大气层撞击火星，而“刹车”晚了，探测器就会错过火星，直接飞向更远的深空。
听起来容易，但这“刹车”可不是简单的开一下反推装置的事。嫦娥五号抵达月球后进行了一次“刹车”，完成了近月制动，着陆器和上升器也在月球表面实现了软着陆，看似与火星探测器着陆过程类似，但“天问一号”近火制动则难度大得多。
首先，月球没有大气层，不用考虑大气对航天器的影响，而火星表面覆盖着稀薄的大气，进入火星的过程中，要利用大气减速，但我们对火星大气了解还不够。
其次，地球到火星的最近距离是月球的130多倍，最远的距离是到月球的9800多倍，距离太过遥远，探测器必须具备足够的智能，判断所有突发情况，需要自己判断开机与执行刹车的时间。着陆过程大概持续7分钟，通信时延超过了10分钟，也就是说信号从火星到地球传输一个来回需要约20分钟，因此地面不能做任何的实时控制和干预，不可能从地球发送指令，只能在一个小时后通过遥测数据得知有没有成功的刹车。探测器必须具备足够的智能，判断所有突发情况。
“一旦进入，就必须按照预定时序和节点衔接，出现任何问题都无法人工干预，地面人员来不及进行数据判读和发送指令。”中国航天科技集团五院研究员 、“天问一号”探测器总设计师孙泽洲说。
孙泽洲还表示，“天问一号”探测器之所以着陆比飞向火星、环绕和巡视更难，是因为这个过程“短暂而唯一”，没有第二次机会，错过无法弥补。“其他几个过程在时间上都没有那么苛刻的条件，遇到状况可以等一等，但着陆的过程没法暂停。”
因此，“天问一号”探测器登陆火星可不只是看起来的到火星上溜达一圈那么简单，整个过程就是上演了真实的“难如登天”。
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图源：美国国家航空航天局
我想，大家不会忘记2020年国庆、中秋双节之际，“天问一号”首次传回来的深空“自拍”，图上的五星红旗在夜空中耀眼夺目！此时此刻，我们共同期待五星红旗于火星上空飘扬的那一天！
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图源：中国航天科技集团
作者丨关晓 科普作者
审稿丨黄宇 北京市科学技术情报研究所
文章由腾讯“全民爱科学”团队推出
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